基于IEEE802.16的MAC层协议分析及QoS技术研究

论文摘要

随着无线通信技术的发展,各种新的业务相继出现,这些业务在带宽、延迟等方面的要求互不相同。IEEE 802.16宽带无线接入技术作为有竞争力的下一代无线网络技术,已经把为多种业务提供QoS(Quality of Service)支持的问题提上了日程。IEEE 802.16协议的MAC(Medium Access Control)层定义了较为完备的信令体系、基于QoS的调度业务类型及相应的带宽请求/分配机制,但具体的准入控制、流量调节及分组调度算法等一系列重要的问题则留待开发者去解决。本文首先对IEEE802.16MAC层协议进行了深入的分析,然后对协议中QoS相关机制及业务调度算法进行了研究,进而针对目前IEEE802.16QoS架构中的不足之处,综合了一些最新文献提出的QoS架构解决方案的优点,对QoS架构进行了改进。在用户站(SS)端增加了流量控制模块;在基站(BS)端定义了准入控制模块、增加了竞争时隙分配模块、并将上行链路调度(UPS)划分为了调度信息以及分组调度两个子模块;在物理层增加了链路状态监测模块。对各个模块的功能进行了详细的描述,并重点对QoS架构中的准入控制机制及分组调度算法进行了深入的研究。针对已有的IEEE802.16准入控制算法中的一些不足,并考虑如何为移动性提供更好的QoS支持,本文提出了一种基于带宽预留及优先降级模式的准入控制机制。算法中为实时服务越区切换连接预留了一定的带宽,以降低其阻塞率;同时所预留带宽可动态分配给系统内已存在的未达到最大带宽的非实时轮询服务(nrtPS),从而有效的提高系统的带宽利用率;而当带宽资源紧张时,采用nrtPS业务按照优先级由低到高逐次降级的模式来进行带宽借用,以优先保证实时业务的需求。相比对nrtPS业务进行整体降级的模式,该算法能明显提高nrtPS业务的传输容量。最后,通过Matlab对算法进行仿真,验证了该算法的性能。考虑到现有的严格优先级(PQ)分组调度算法对低优先级业务所造成的不公平性,本文对该算法作出了改进,采取首先为主动授权业务(UGS)预留一定带宽,然后对其余的三种业务进行分层调度的方式,其中第一层调度采用的是亏空公平优先队列算法(DFPQ)。仿真表明,改进后的分组调度算法能够较好的满足不同业务类型的QoS要求,并提高对尽力而为(BE)业务的公平性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 IEEE802.16 的制定背景与发展状况
• 1.2 IEEE802.16 的应用场景
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文的结构与安排
• 2 IEEE802.16MAC 层协议分析
• 2.1 IEEE802.16 的拓扑结构
• 2.1.1 PMP
• 2.1.2 Mesh
• 2.2 IEEE802.16MAC 层协议整体结构
• 2.2.1 特定业务汇聚子层（CS）
• 2.2.2 共用部分子层（CPS）
• 2.2.3 安全子层（SS）
• 2.3 IEEE 802.16 MAC 层带宽请求/分配机制的分析
• 2.3.1 帧结构
• 2.3.2 带宽请求
• 2.3.3 轮询
• 2.3.4 带宽分配机制
• 2.4 小结
• 3 IEEE802.16QoS 机制与业务调度算法
• 3.1 QoS 概述
• 3.1.1 QoS 的概念
• 3.1.2 QoS 的控制与管理
• 3.2 IEEE802.16 中支持QoS 的业务流分类
• 3.2.1 主动授权业务UGS
• 3.2.2 实时轮询业务rtPS
• 3.2.3 非实时轮询业务nrtPS
• 3.2.4 尽力而为业务BE
• 3.3 IEEE802.16MAC 层中QoS 的实现机制
• 3.4 准入控制概述
• 3.4.1 准入控制的意义
• 3.4.2 基于参数的准入控制
• 3.5 业务调度算法
• 3.5.1 衡量调度算法的性能标准
• 3.5.2 有线环境下业务调度算法
• 3.5.3 无线环境下业务调度算法
• 3.6 小结
• 4 IEEE802.16 中QoS 架构的研究
• 4.1 目前的IEEE802.16QoS 架构
• 4.2 改进的IEEE802.16QoS 架构
• 4.3 流量控制
• 4.3.1 用单令牌桶对UGS 进行流量调节
• 4.3.2 用双令牌桶对rtPS, nrtPS 进行流量调节
• 4.4 准入控制
• 4.4.1 业务优先级的设定
• 4.4.2 动态带宽分配
• 4.4.3 准入控制过程
• 4.4.4 算法仿真与性能分析
• 4.5 上行分组调度
• 4.5.1 分组调度架构
• 4.5.2 调度不同连接类别
• 4.5.3 调度UGS 连接
• 4.5.4 调度rtPS 连接
• 4.5.5 调度nrtPS 连接
• 4.5.6 调度BE 连接
• 4.5.7 仿真结果与分析
• 4.6 小结
• 5 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录